电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律,弱相互作用和强相互作用在微观范围内

§18 相互作用的统一理论 微观粒子之间存在着四种相互作用,这四种相互作用之间存在什么联 系,它们是否可以从更深刻的角度统一起来,一直是粒子物理学家关心的问 题.爱因斯坦在建立广义相对论后,花了很长的时间致力于统一场论的研究, 他希望能建立一个把电磁相互作用和引力相互作用统一起来的理论.然而, 他的这个研究并没有能取得成功,归根结底,是因为物理学的发展在当时条 件下还不成熟.当时人们对电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律已经认 识得相当清楚,但是对于弱相互作用和强相互作用这两种只在微观范围内才 明显显现出来的短程相互作用的规律还认识得很少.因此,在当时的条件下, 爱因斯坦只能在电磁相互作用和引力相互作用的基础上探索相互作用的统一 理论.粒子物理学 30 多年来的发展表明,首先成功地统一起来的是弱相互作 用和电磁相互作用. 尽管弱相互作用和电磁相互作用的行为有巨大的差异,物理学家们对它 们的相互作用机理进行深入的探索,找到了它们之间的联系,这推动着物理 学家去探索建立弱相互作用与电磁相互作用统一理论的可能性.1961 年,美 国物理学家格拉肖(Sheldon Lee Glashow)首先提出电弱统一的模型.1967 年和 1968 年美国物理学家温伯格 (StevenWeinberg)和巴基斯坦物理学家萨 拉姆(Abdus Salam)在这理论基础上独立地把这个模型发展完善.格拉肖, 温伯格和萨拉姆提出的电弱统一理论认为:弱相互作用和电磁相互作用本来 属于具有同一种对称性的统一的相互作用,这种相互作用通过传递四种体现 这种对称性的粒子来实现.在能量较低的范围,这种对称性自发地破缺了, 统一的电弱相互作用分解成为现在所观察到的电磁相互作用和弱相互作用. 后来,经过多年的研究证明,电弱统一理论取得了极大的成功. 电弱统一理论的成功促进了大统一理论的探索研究.大统一理论是指把 强相互作用和电,弱相互作用统一起来的理论.70 年代以来国际上提出了许 多种大统一理论,各有不同的特点.但是迄今为止,并没有任何一个大统一 理论得到了实验的判定性的检验. 近十多年来粒子物理理论的另一个重要的探索方向是关于超对称理论的 研究.超对称性是一种把自旋为半整数的粒子(费米子)与自旋为整数的粒 子(玻色子)联系起来的对称性.超对称理论的一个探索方向是建立超对称 大统一理论,即在超对称性基础上的大统一理论.超对称理论的另一个探索 方向是建立超引力理论即在超对称性基础上把四种相互作用都统一起来的理 论.近年来,在超对称大统一理论方面,亚夸克层次的大统一模型方面,超 引力理论方面以及关于超对称理论基础的研究方面都进行了不少工作,但是 总起来说还处于探索研究阶段,还没有一种模型得到判定性的检验.由于在 大统一理论范围内,各种可能的模型都已被试探研究过,可以作的理论探索 都已比较充分地进行过,因此,理论探索的注意力已从大统一理论转移到超 对称理论方面来.这个转移过程从 1980 年就已明显地表现出来,到 1982 年 这个转移过程就已经比较完全了,这是近年来理论发展的一个重要动向. 70 年代末到 80 年代初,粒子物理理论的研究中曾有许多探索夸克和轻 子的内部结构的工作,提出了许多可能的"亚夸克"模型,并有许多理论物 理学家对这类模型在实验上和理论上所受的限制进行了普遍的讨论.这是一 个十分吸引人的方向,曾一度表现得相当活跃,特别是在探索亚夸克层次建 立大统一模型方面.但是,进一步的发展遇到了困难,困难的来源之一是, 迄今为止没有任何实验迹象显示出夸克有内部结构,从实验上还没有能得到 任何有关夸克内部结构的信息可以作为建立理论的启示和线索,这一点和 60 年代研究强子结构时所遇到的情况完全不同. 第六章 粒子和宇宙 §1 宇宙的演化 人类在探索自然奥秘的过程中,另一个重要的基本问题是探索物质宏观 结构的基本规律,天体起源,演化的规律,宇宙的结构,宇宙起源,演化的 基本规律. 在大量天文学的观测和原子物理学,原子核物理学,粒子物理学基础上 研究发展提出了宇宙演化的大爆炸宇宙学,这个理论得到大量的天文观测的 支持,现在被称为宇宙论的标准模型.这个理论提出,现今的宇宙起源于大 爆炸,宇宙演化的早期体积很小,温度极高,演化非常快,演化时体积不断 迅速膨胀,同时温度不断迅速下降.当温度从极高降到一定范围时,出现夸 克,轻子,胶子和其他规范粒子,形成极高温的夸克胶子等离子体.体积再 膨胀,温度再降低后,夸克,反夸克又结合而成各种介子和重子,从而形成 强子物质,这个过程表现为微观物质聚集状态从夸克胶子等离子体到强子物 质的相变.这些迅速演化过程都发生在宇宙大爆炸之后的第一秒内.温度继 续降低,到大约 180 秒时开始质子和中子结合成较重的原子核.以后体积继 续膨胀,温度继续降低,到 38 万年时一步步出现各种原子,分子,一直演化 到现在的世界. §2 强子物质和夸克物质 现在对宇宙的早期演化不可能有直接的观测,人们期望对宇宙早期演化 的某些过程可以实现在实验室里抽样进行观察. 粒子世界物质结构的组元是各种粒子,大量粒子聚集在一起形成一定的 微观世界中的物质聚集状态.原子核由质子和中子所组成,原子核是组元为 核子的"核物质",可形成一个均匀相,称强子物质相.原子核内的温度是 很高的,约为百亿开尔文的量级,但从微观尺度来说,这是一个很低的温度. 在高能重原子核剧烈碰撞中能达到的温度,可以是这个温度的数十倍. 如果通过原子核的剧烈碰撞或其他办法提高强子物质的温度,核子和反 核子又都可以吸收介子.高温强子物质表现为强子通过粒子反应过程达到平 衡的强子气体. 粒子物理学告诉我们,核子还不是最小的粒子,核子的半径为 RN =0.80 费米,强子,包括介子和重子都是由夸克所组成.夸克具有色相互作用的能 力,色相互作用是一种新的比万有引力和电磁相互作用更强的相互作用,实 验上所观察到的强相互作用实际上是色相互作用的表现.色相互作用的媒介 粒子是胶子,胶子也属于规范玻色子,夸克的色相互作用能力表现在夸克可 以放出和吸收胶子,夸克之间通过交换胶子而相互吸引.每个重子由 3 个夸 克通过色相互作用结合而成,介子则是由一对夸克和反夸克结合而成.绝大 多数现在实验上已发现的强子都是由夸克和反夸克结合而成.如果有大量的 强子均匀地聚集在一起,就形成强子物质相.一般说来,强子物质相的组元 是强子,也就是重子,反重子和介子,在稳定的强子物质相当中,它们之间 的比例随温度的不同而不同.重原子核是稳定的很低温度的强子物质相.强 子结构提供了一种可能性:如果把原子核高度压缩,使核子之间的边界都被 挤压而消失掉,或加高温度新产生大量强子而使强子边界消失,这时微观物 质的组元就改变为夸克,反夸克和胶子,强子物质相变为夸克胶子等离子体, 即夸克物质相. 粒子理论的研究预言夸克胶子等离子体相和强子物质相之间的相变温度 大约在 200MeV 到 300MeV 之间,即 2.3×1012 K 到 3.5×1012 K 之间.物理学家 期望用高能粒子对撞来实现在某一有限体积内集中大量能量,达到很高温 度,产生夸克胶子等离子体相.然后它自由膨胀而逐渐降温,到相变临界温 度时,转变为强子物质相.这样就可以在实验室里实现对宇宙早期演化的一 段过程的抽样模拟和观察研究. §3 高能重核碰撞 考虑某种高能粒子对撞,在完全对心正撞的情形中,如果动能充分转化 为热能,这些能量将集中在这种高能粒子静止时的体积内.如果产生了夸克 胶子等离子体相或强子物质相,也将集中在这个体积内.考虑质子与质子对 撞和氧原子核与氧原子核对撞这两种情形,用现有粒子理论计算如果在对撞 体积内,实现温度从 200MeV 到 300MeV,夸克胶子等离子体相和强子物质相 分别所包含的组元总数,列于下表中.从表中可以看出,不论相变的临界温 度是多少,质子与质子对撞中即使能量很高,在相当于质子静止体积的碰撞 体积内所产生的组元数也太少,最多也还不到 50 个,还远远不足以能构成一 个均匀稳定的相.氧核与氧核的对撞中如果能量足够高,在相当于氧核静止 体积的碰撞体积内所产生的组元数已相当多,至少达到 110 个,足以构成一 个均匀稳定的相.因此,为了要在一定的时间间隔和一定的微观体积范围内 实现超微观世界中物质的均匀聚集状态,产生夸克物质相,观察从夸克物质 相到强子物质相的相变,必须使用氧或比氧更重的原子核作为被加速粒子的 相对论性重离子碰撞对撞机来进行实验. 对撞区 温度 ( MeV ) 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 质子-质子对撞 强子物质相 夸克物质相 体内组元数 体内组元数 3.446 3.805 4.231 4.732 5.318 5.996 6.775 7.666 8.674 9.812 11.087 17.420 19.264 21.298 23.535 25.984 28.656 31.562 34.713 38.121 41.796 45.749 氧核-氧核对撞 强子物质相 夸克物质相 体内组元数 体内组元数 110.091 129.464 152.468 179.546 211.153 247.758 289.839 337.822 392.380 453.826 522.715 712.696 812.237 922.110 1042.880 1175.120 1319.411 1476.343 1646.510 1830.514 2028.960 2242.462 为了探讨粒子世界中过去还没有发现的新粒子,新现象,探究物质微观 结构的基本规律,物理学家们建造了许多高能粒子加速器,对撞机.近 20 年来,粒子物理学发现 J/ψ,Υ,W±,Z0 ,顶夸克等许多种新粒子,观察到 许多新现象,验证和检验了粒子物理的标准模型理论.这些重大进展都是在 高能电子正电子对撞机,高能质子反质子对撞机,高能质子质子对撞机上的 实验中取得的.然而在这些高能对撞机上的实验里,难以实现超微观世界中 物质的均匀聚集状态.为了要在一定时间间隔和一定微观体积范围内实现超 微观世界中物质的均匀聚集状态,产生夸克物质相,观察从夸克物质相到强 子物质相的相变,必须使用氧或比氧更重的原子核作为被加速粒子的相对论 性重离子碰撞对撞机来进行实验. §4 高能碰撞中的相变 理论研究指出,如果想要通过压缩原子核的办法来实现从强子物质到夸 克胶子等离子体相的相变,需要把原子核压缩到其密度为正常原子核的 5 倍 以上.如果想要通过加高温度来实现这种相变,需要把原子核提高达到 2 万 亿开尔文以上的高温.因此要想实现这种相变,一个可能的办法是把重原子 核加速到很高的能量使其互相碰撞,以实现在原子核尺度大小的体积内,在 短暂的时间里达到很高的压力和集中很多的能量,这样就有可能达到实现相 变的要求. 现在加速重原子核进行对撞实验时,已经达到理论上估计的产生相变所 需要的能量值.因此需要研究的是,现在的高能重离子碰撞实验中,是不是 已经确实实现了强子物质相变为夸克胶子等离子体相的相变过程.重要的问 题是如何判断这相变过程是不是确实已经发生了. 粒子理论的研究提出了如果在非常高能量的重原子核碰撞中出现了夸克 胶子等离子体,尽管经过演化夸克胶子等离子体还会相变回去到强子物质, 最后表现为许多强子,但曾经出现过夸克胶子等离子体就会带来一些特殊的 现象,这些现象可以作为夸克胶子等离子体曾经出现过的判据.理论上提出 如果出现夸克胶子等离子体,实验上可能观察到的新现象有 6 种: (1)粒子理论的研究给出,夸克胶子等离子体的性质和强子物质很不相 同,如果在某温度下,这两种相都能存在,夸克胶子等离子体的能量密度将 比强子物质的能量密度大 5 到 10 倍. 这样当夸克胶子等离子体在相变为强子 物质时,能量守恒要求体积将要立即膨胀大 5 到 10 倍,观察到的强子都将是 从突然膨胀大了的体积中发射出来的,这是夸克胶子等离子体在碰撞后演化 的中间过程中曾经存在过的一个特征.瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心用每 个核子能量为 200GeV 的氧原子核去碰撞金原子核, 观察碰撞产生的带负电的 π介子,显示出这些介子是从一个椭球区域中发射出来的.这个椭球的 3 个 主轴长分别为 11.2 费米,13.2 费米和 22.4 费米,然而氧原子核是一个直径 为 6 费米的球体.由此可见,这些带负电的π介子是从一个明显膨胀大了的, 相当于静止氧原子核体积大约 15 倍的区域中发射出来的. 如果沿着碰撞方向 来看,这个椭球的横截面也是氧原子核横截面的 8.2 倍,也显示出明显的膨 胀,表明强子是从一个膨胀了的区域中发射出来的.另一些实验中则没有观 察到膨胀. (2)发射出来的强子横向能量分布特别集中,反映了碰撞后碰撞区域的 能量密度明显地增大.瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心用每个核子能量为 200GeV 的硫原子核去碰撞钨原子核,观察到碰撞产生的强子横向能量分布很 集中,由此推算碰撞后中心区域的能量密度达到每立方费米 3GeV.粒子理论 的研究给出,夸克胶子等离子体的能量密度将比同温度强子物质的能量密度 大 5 到 10 倍,强子物质的能量密度估计小于每立方费米 1GeV,夸克胶子等 离子体的能量密度估计约为每立方费米 3GeV 或更多. 现在实验显示碰撞后中 心区域的能量密度已经达到每立方费米 3GeV,提供了相变的可能性. (3)有多余的与相变温度相对应的直接光子和轻子发射出来.瑞士日内 瓦的欧洲核子研究中心用每个核子能量为 200GeV 的氧原子核去碰撞金原子 核,观察碰撞产生的光子,和用质子去碰撞金原子核产生光子的结果相比较, 确实发现有对应于更高温度的光子发射出来. (4)在产生的强子中,奇异粒子所占份额要明显增长.粒子理论的研究 给出,在夸克胶子等离子体中奇异夸克所占的份额比强子物质中奇异粒子所 占的份额要多.如果产生了夸克胶子等离子体,最后观测到的奇异粒子所占 的份额要有明显的增长.美国布鲁克海文国家实验室用每个核子能量为 14.5GeV 的硫原子核去碰撞金原子核,观察碰撞产生的 K 介子和π介子产额 之比.结果发现这比值比用质子碰撞铅原子核时的值大了 4 倍,确实显现出 明显的增长. (5)理论上预言可能存在,但实验上还没有发现的一类称为"奇异态" 的粒子可能会大量产生.粒子理论研究指出,有可能存在一种多夸克态,上 夸克,下夸克和奇异夸克的比例接近于 1:1:0.8,而这种多夸克态虽然具 有相当多的奇异夸克,仍表现为相当的稳定,这类多夸克态统称为奇异态. 奇异态的特点是重子数大,电荷很小,然而奇异数的数值很大.现在还没有 发现一个奇异态,但理论指出,如果产生了夸克胶子等离子体就有可能在相 变时大量产生奇异态.所以,如果大量发现奇异态,既表明发现了一类新粒 子,同时表明夸克胶子等离子体很有可能产生了.但现在还没有这方面的发 现. (6)在所产生的大量强子中,J/ψ粒子所占份额要被压低.瑞士日内瓦 的欧洲核子研究中心用每个核子能量为 200GeV 的氧原子核去碰撞铀原子 核,观察到碰撞产生的 J/ψ粒子所占的比例确实被压低了,提供了产生了夸 克胶子等离子体的可能性.然而,美国费米实验室用质子碰撞原子核的实验 中也发现了 J/ψ粒子所占的份额被压低了,而在这个实验中是不可能产生夸 克胶子等离子体的,所以这表明 J/ψ粒子所占的份额被压低难以作为产生夸 克胶子等离子体的判定性的信号. 这 6 种现象中,除了"奇异态"的大量产生还没有被观察到外,其余 5 种现象都已在实验上被观察到.但是,由于实验中存在各种复杂的本底,理 论分析上还有许多不能排除的不定性,所以现在还不能判定已经在实验上实 现了夸克胶子等离子体.近几年,实现加速重原子核的重离子加速器的能量 还会大幅度地提高,物理学家们在期待着在那些实验中将实现微观物质的新 物相,夸克胶子等离子体. §5 中子星和夸克星 另一方面,在恒星的演化过程中,在一定条件下会形成中子星.中子星 是一个巨大的由以中子为主的强子物质构成的密度很大的星体.理论上早就 预言可能存在中子星,现在天文观测中也已发现了大批被认为是中子星的脉 冲星.既然理论上提出高温时强子物质相将转变为夸克物质相,夸克胶子等 离子体,那么在星体演化过程中就有可能形成一种类似于中子星的新星体, 巨大的由夸克物质构成的夸克星.通过用非常高的能量的重原子核碰撞实现 夸克胶子等离子体,不仅是发现了微观物质存在的一种新形态,并且为研究 夸克星的性质,探讨寻找夸克星的途径提供了重要线索. §6 暗物质和新粒子 宇宙中有许多螺旋状星云,这是一些巨大的星系,在引力的作用下绕星 系的质量中心旋转,像一个巨大的太阳系那样,观察其中某一部分的运动速 度 v,按照力学估算,引力等于向心力 Mm mv 2 GN = 2 = , r r 即 1 v2 = G NM , r 其中 r 是这部分星体到星云中心的距离,M 是这部分星体受到吸引的总 质量,也就是星云中处于以星云中心为中心,半径为 r 的球体内星云物质的 总质量.显然 M 是 r 的函数,随 r 的增加而增加.如果星云质量比较集中在 中心区,则靠星云外部区域内 M 随 r 的增加的变化不敏感,这样靠外部处星 体运动的速度应随 r 增加而减少. 实际观测许多螺旋状星云给出: (1)观测到的螺旋状星云质量分布确是中心密,外面稀; (2)许多螺旋状星云中星体的速度平方 v2 随 r 变化不大. 这情况表明在螺旋状星云中实际还有许多没有被观测到的物质也在起引 力的作用,这些没有被观测到的物质数量很多,并且其分布范围比看到的螺 旋状星云分布的范围还要大. 这些没有被直接观测到的但通过引力效应显示其存在的物质就是暗物 质.暗物质就是指太空中存在的没有或不能提供任何直接的电磁作用信号但 可有引力效应的物质.天文观测中已经观察到许多显示暗物质存在的现象. 暗物质是什么?有可能有些星体演化到一定阶段,温度很低,已不能输 出任何可以观测的电磁信号.这样,尽管这样的星体的构成成分和其他星体 类似,主要是质子,中子等重子物质,但不可能被观测到.这样的星体就会 表现为暗物质.在星际弥漫的星际物质也可能有类似的情况.这类暗物质可 以称为重子物质的暗物质. 还有另一类暗物质,它的构成成分是一些中性的有静止质量的稳定粒 子,它们不直接参与电磁相互作用,但可以允许其参与弱相互作用.这类粒 子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号.这类暗物质可以称为 非重子物质的暗物质. 这类暗物质中,如果粒子的运动是高速的,是相对论性的时就称为热暗 物质;如果粒子的运动是低速的,是非相对论性的时就称为冷暗物质. 天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是大量的非重子物质 的暗物质.人们当然关心,宇宙中的暗物质有多少?综合天文学上各方面的 观测,给出估计:宇宙的总质量中重子物质约占 2%,非重子物质的暗物质 所占比例至少要大一个数量级.在宇宙中的非重子物质的暗物质中,冷暗物 质约占 70%,热暗物质约占 30%. 宇宙中存在的大量的非重子物质的暗物质的组成粒子是什么粒子? 在标准模型中给出的 62 种粒子中, 有可能是暗物质粒子的只有 3 种中微 子和它们的反粒子,3 种反中微子,并且前提条件是中微子的静止质量不等 于零.如果中微子有静止质量,它就有可能是热暗物质粒子.多年来,粒子 物理学家做了大量的研究测量中微子的质量,到现在还没有肯定的结果. 冷暗物质粒子应该是一种质量很重的中性稳定粒子,它不直接参与电磁 相互作用,但可以参与弱相互作用和引力相互作用.这种粒子肯定是超出标 准模型的粒子. 人们期望能从宇宙中找到这种超出标准模型的新粒子. 1972 年我国云南宇宙射线站观察到了一个奇特的宇宙射线事例,观察到 一个从宇宙射线中来的能量大于 300GeV 的粒子碰撞石蜡中的粒子后, 产生了 3 个带电粒子.分析表明,其中一个是π- 介子,一个是质子,还有一个是质 量大于 43GeV,寿命长于 0.406 纳秒的带电粒子.这个粒子的存在如果被证 实,它将肯定是一个超出标准模型的新粒子. 分析还表明,产生这个事例的从宇宙射线中来的入射粒子应该是一个质 量大于 42GeV 的稳定中性粒子.这些性质,倒是符合冷暗物质粒子的要求. 如果进一步的实验确认了这种粒子的存在,将是探寻新粒子方面的重大进 展. 物理学家们期望能从宇宙射线中得到来自宇宙远方的新粒子的信息. 科学探索是永远没有尽头的,人类对真理的追求也是永无止境的.随着 科学技术的不断进步,粒子物理学必然会踏上更高的台阶,不断加深人们对 自然界物质的本质的认识.